某轎車離合器踏板臂干涉問題分析及優化設計

汪新偉

(蕪湖職業技術學院 , 安徽 蕪湖 241003)

手動擋汽車因其成本、可靠性、經濟性和安全性等方面的明顯優勢，在微型轎車、低配車型和小型商用車中得到廣泛的應用。離合器踏板是手動擋汽車離合器總成的操縱裝置，是汽車與駕駛員“人機”交互的重要機構，在汽車起步、換擋、倒車和制動過程中，均需要駕駛員通過左腳控制離合器踏板來實現發動機和傳動系統的分離與結合[1]。

國內某公司一款新開發經濟型轎車在試驗過程中，其主觀評價人員提出在頻繁操作離合器踏板時，存在離合器踏板臂與腳尖干涉現象。本文從這一現象出發，詳細分析了離合器踏板臂與腳尖干涉問題出現的原因，并對踏板臂進行了優化設計及分析驗證。對于其他新開發車型，建議在數據階段對離合器踏板臂進行此項校核分析，減少車輛開發后期出現此類問題的風險，縮短車輛開發周期，降低研發成本。

1 離合器踏板結構及周邊布置

離合器踏板屬于離合器總成的操縱機構，主要控制離合器總成中壓盤和從動盤的分離與結合，實現動力的中斷與連接。按操縱力的傳遞方式分為液壓式和機械式兩類，目前廣泛采用的為全液壓式結構[2]。離合器踏板由踏板面、踏板臂、行程限位擋塊、行程調節螺栓、安裝板等構成。安裝板通過螺栓固定于前圍板上，踏板臂上部通過轉軸與安裝板連接,并通過銷釘與離合器主缸推桿固定，其結構與安裝如圖1所示。

圖1 離合器踏板結構及周邊布置

汽車行駛過程中，離合器踏板一般位于高位，其上極限位置由行程調節螺栓確定。駕駛員左腳鞋底前部與踏板面接觸，需要離合器分離時，通過腳部運動踩下離合器踏板面，帶動踏板臂向下運動直至行程限位擋塊。在離合器分離過程中，腳尖與離合器踏板臂距離變小，若設計不合理會存在接觸及干涉現象，造成離合器分離不徹底、駕駛員勞動強度增加，直接關系到車輛的操控性、舒適性和安全性。

2 離合器踏板臂干涉問題分析及邊界優化設計

2.1 確定離合器踏板臂及腳部運動軌跡

在離合器踏板向下運動過程中,踏板臂和踏板面的運動形式為轉動,轉動軌跡由轉軸位置和限位機構共同決定。人的腳部運動為復雜的平面運動,一方面腳前部隨踏板面旋轉,另一方面腳后跟在地毯上滑動。目前尚無統一的標準及法規詳細描述這一運動過程，且不同駕駛人員的操作方法不盡相同。采用韓國CES汽車工程公司推薦的標準進行腳部運動軌跡的模擬:1、離合器踏板下極限位置：以過AHP(加速踏板參考點)且與Y軸(車身橫向)平行的直線為旋轉軸線，旋轉人腳，使人腳與踏板面相切；2、離合器踏板上極限位置：沿X軸(車身縱向)正方向，平行移動人腳，使人腳與踏板面相切;3、離合器踏板中間位置:通過等分法做出腳尖點和腳踵點，形成腳部運動軌跡[3]。

通過此車型的人體腳部模型和離合器踏板數據做出人體腳部運動軌跡，測量發現，在離合器踏板被踩到下極限位置時，腳尖距離踏板臂最近，最小距離僅為6mm，如圖2所示。若零件在設計時公差設定偏大，制造時尺寸偏差較大，車輛在駕駛過程中會存在干涉風險，實車試驗過程中評價人員也確實提出過此問題。

圖2 踏板臂與腳尖最小距離

2.2 離合器踏板臂邊界優化

為消除干涉風險，需使踏板臂向前側彎曲，增大踏板臂與腳尖最小距離。同時，為防止踏板臂被踩到下極限位置時壓到地毯，優化后的踏板臂需要和地毯之間保留足夠安全的距離[4]。在數據模型上，使用樣條曲線擬合法確定踏板臂邊界。當踏板臂處于下極限位置時，將地毯邊界和腳尖邊界偏移20mm作為優化后的踏板臂界限，在此界限范圍內取若干點，要求：1、踏板臂上部和主缸推桿連接處的點及踏板臂下部和踏板面連接處的點設為硬點，后期不再調整；2、中間若干點設在界限范圍內，盡量保持踏板臂形狀。在 CATIA軟件中使用Spline樣條曲線連接這些點形成優化后的踏板臂,如圖3所示。踏板臂距離腳尖和地毯均保持20mm以上安全距離，理論上可以消除干涉風險。

圖3 踏板臂邊界優化

3 優化后踏板臂CAE分析

離合器踏板臂邊界優化后的形狀發生改變，同時局部寬度減小3-5mm，在避免干涉風險的同時需要評估強度和剛度風險。在HyperWorks軟件中按照QC/788-2018《汽車踏板裝置性能要求和試驗方法》規定進行強度和剛度的CAE分析。

3.1 約束載荷設定

法規具體要求如下：1、剛度要求：將 300N 的縱向力施加到離合器踏板幾何中心點，踏板的縱向位移應小于等于 5mm； 2、強度要求：將 800N 的縱向力施加到離合器踏板幾何中心點，踏板無裂紋或損壞等缺陷[5]。此車型離合器踏板材料為碳素結構鋼Q235。根據模型尺寸計算所得其約束和加載情況如表1所示。

表1 離合器踏板分析約束及加載情況

3.2 分析計算結果

在HyperWorks軟件中對踏板臂及踏板面進行有限元網格劃分及約束載荷施加，計算其應力及變形云圖,如圖4所示，最大應力出現在踏板臂的優化處，大小為120.5MPa，小于材料的屈服強度235MPa；最大變形出現在踏板面上，大小為1.6mm，踏板臂處的最大變形為 1.2mm，均小于規定的5mm，強度和剛度滿足要求。

圖4 離合器踏板應力及變形云圖

4 優化后實車驗證

經軟件分析后踏板人機性能和強度剛度滿足規定要求，為確保設計質量，分別采用主觀評價試驗和三萬綜合耐久性試驗進行驗證。

主觀評價試驗中，要合理選擇評價車輛和評價人員。將優化后的踏板臂數據提供給供應商制作樣件，將優化前和優化后的踏板分別裝在同一型號同一技術狀況的車輛A(原踏板臂)和車輛B(優化后踏板臂)上。主觀評價人員要盡量覆蓋大部分目標人群且有較為豐富的駕駛經驗，所以要求：1、男女人數接近；2、身高從低到高分布均勻；3、有三年(3萬公里)以上駕駛經驗。評價人員在事先不知道車輛A、B差異的情況下，駕駛車輛測評踏板臂和腳尖的干涉情況。選取20名評價人員，其評價結果如表2所示。

表2 主觀評價結果

可以看出，車輛B(優化后踏板臂)的干涉感覺明顯減少，證明優化邊界起到積極的效果。

三萬綜合耐久性試驗中，按照GB/T 12678-2021《汽車可靠性行駛試驗方法》，對車輛要求如下：1、樣車數量不低于兩輛，功能狀態及技術條件應滿足設計任務書上的規定。2、樣車應按照設計任務書要求裝配齊全，車輛載荷及載荷分布符合企業標準[6]。車輛在磨合線路、一般公路、山路、高速環道和強化路面以正常速度行駛三萬公里，通過目視檢查踏板臂的狀態。圖5(a)所示為試驗過程中車輛在皖南山區路面行駛的情況，圖5(b)所示為測試完成后拆解下離合器踏板目視檢查踏板臂的情況，沒有開裂或明顯變形現象，說明優化后的離合器踏板臂強度和剛度滿足要求。

圖5 耐久性試驗及試驗完成后踏板臂

5 結束語

從某款新開發轎車在試驗過程中出現駕駛員腳尖與離合器踏板臂干涉的問題出發，通過數據分析模擬人體腳部移動過程，對離合器踏板臂的邊界進行了優化，并對優化后的強度和剛度進行了分析和驗證，優化后的踏板強度和剛度滿足要求。新車型開發過程中離合器踏板臂在下極限位置時與腳尖存在干涉風險，在早期數據設計階段，需要將此項風險列入校核清單并進行邊界數據優化、驗證，避免后期實車出現問題，降低研發成本。